基于STM32的水位傳感器氣密性檢測儀的設計

仝毅 熊遠生 史泰丞 張丁元 李壯

（嘉興南湖學院機電工程學院，浙江嘉興 314001）

0 引言

早期對氣密性檢測常采用的是氣泡法，即將待測工件放入水中，向待測工件的腔體中充入一定壓力的氣體，通過觀察有無氣泡從水中冒出來判斷氣密性好壞。氣泡法對檢測對象依靠肉眼判斷，檢測不夠準確，同時對檢測工件的泄漏不能做定量分析，只能應用在對氣密性要求低的場合。隨著時代的進步，氣密性直壓檢測方法得到了廣泛應用[1-2]，即向待測工件的腔體內(nèi)充入一定壓力的氣體，通過檢測一定時間內(nèi)待測工件內(nèi)部壓力的變化情況來判斷工件的泄漏程度。這種方法檢測效率高、成本低，可以實現(xiàn)定性和定量分析。

水位傳感器在洗衣機等行業(yè)中廣泛使用，洗衣機外桶中有一個氣室，水位改變時，氣室內(nèi)部的壓力大小將改變，該氣室和水位傳感器氣路相通，氣壓推動水位傳感器中的膜片使電感量發(fā)生變化，從而使組成的LC振蕩電路頻率發(fā)生變化，洗衣機控制主板通過檢測振蕩電路的頻率，從而獲取水位的高低[3-4]。如果水位傳感器存在泄漏的情況，將導致洗衣機控制主板測量的水位高低不準確，故在水位傳感器的出廠檢測中，氣密性檢測是一項重要的檢測項目。因此，本文設計了一種基于STM 32的水位傳感器氣密性檢測儀，采用直壓法檢測，并對測量結果進行顯示和輸出，滿足了水位傳感器對氣密性檢測的需求。

1 系統(tǒng)工作原理

完成對水位傳感器的氣密性檢測需要氣路、硬件和軟件三部分協(xié)調(diào)工作。STM 32通過控制微型氣泵對氣室進行充氣，硬件集成有檢測模塊和處理器模塊，對水位傳感器的氣壓進行檢測和信號轉(zhuǎn)換，在硬件的基礎上通過軟件編程實現(xiàn)氣密性檢測。

設計的水位傳感器氣密性檢漏系統(tǒng)利用直壓法原理檢測。直壓法泄漏檢測就是對水位傳感器的腔體內(nèi)充入一定壓力的氣體，檢測在一定時間內(nèi)氣壓的變化情況，并進行泄漏量的計算。直壓法的理論基礎是理想氣體狀態(tài)方程，如式（1）所示，用于描述理想氣體的壓強P、體積V、物質(zhì)的量n、摩爾氣體常數(shù)R、溫度T之間的關系。

假設氣路中密閉部分的體積為V，充入氣體后水位傳感器內(nèi)部的壓強為P0，如果水位傳感器有泄漏，則在時間t后，其內(nèi)部的壓強將變?yōu)镻1，相應地往壓強為Patm的大氣中泄漏體積為Vatm的氣體。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，檢測過程中向大氣溢出的物質(zhì)的量和剩余質(zhì)量之和等于氣體初始質(zhì)量，如式（2）所示：

式（2）表明，根據(jù)一定時間內(nèi)氣壓的變化量就可以判斷產(chǎn)品是否泄漏和泄漏的程度。

2 系統(tǒng)構成

水位傳感器氣密性檢測儀的系統(tǒng)氣路原理圖如圖1所示。通過直流氣泵給待測工件充壓，氣源氣體輸出前可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的旋鈕來控制流量，再經(jīng)過一個單向閥得到穩(wěn)定且不產(chǎn)生回流的氣體給待測件充氣。當壓力達到設定值后，停止充氣。經(jīng)過緩沖時間后，壓力趨于穩(wěn)定，此時測量的壓力值作為初次壓力測量值，運行完保載時間，再次對待測工件進行壓力測量，兩者差值與允許泄漏量進行比較，從而判斷是否有泄漏。檢測過程由STM 32進行控制。

圖1 系統(tǒng)氣路原理圖

水位傳感器氣密性檢測儀的硬件電路如圖2所示，分為三個部分：氣路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微處理器系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)是由直流氣泵來制備氣源，氣體通過氣路對被測對象進行充氣、檢測等動作；氣壓傳感器實時檢測待測工件內(nèi)部的壓力情況，并將采集的壓力信息轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，信號調(diào)理模塊對微弱的電信號進行調(diào)理，在MCU 的控制下經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為微處理器可以識別的二進制碼的形式；MCU 與STM 32之間采用串口通信，STM 32獲取氣壓的實時值，并對來自人機交互模塊鍵盤進行響應，檢測結束后將檢測的信息顯示在液晶顯示屏上，并通過繼電器將檢測結果進行輸出。

圖2 氣密性檢漏系統(tǒng)硬件電路結構圖

3 系統(tǒng)軟件設計

設計的水位傳感器氣密性系統(tǒng)流程圖如圖3所示，由STM 32通過程序?qū)崿F(xiàn)。

圖3 水位傳感器氣密性系統(tǒng)流程圖

設計的水位傳感器氣密性一共用到5個按鍵，分別定義為UP、DOWN、OK、SET、START，可以用來設定參數(shù)，啟動實驗，程序流程圖如圖4所示。

圖4 按鍵程序流程圖

4 實驗

本項目設計硬件實物圖如圖5所示，按圖5放置時，控制器核心部分采用5 V 供電，左-右+，直流氣泵電源部分采用3 V 供電，左-右+，直流氣泵接口左-右+，其余接口還包括檢測結果OK 繼電器輸出接口、檢測結果NO繼電器輸出接口、傳感器氣路測量接口、鍵盤接口、液晶接口。

圖5 硬件實物圖

設置水位傳感器的測試壓力為10 kPa，緩沖時間為10 s，保載時間為20 s，泄漏允許量為100 Pa，標定的壓力比壓力表的壓力略大，但是氣密性檢測關注重點是保載前后的壓力差。取10只氣密性合格和10只氣密性不合格的水位傳感器進行測試，測試結果表明，該水位傳感器氣密性測試儀能準確判斷是否合格，表明了該設備的可行性。

5 結語

該檢測儀用于水位傳感器的氣密性檢測，主要由STM 32、直流氣泵、氣壓傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、液晶顯示屏、按鍵、繼電器等構成。實驗結果表明，所設計的水位傳感器氣密性檢測儀測試數(shù)據(jù)較為準確、穩(wěn)定，重復性較好，能準確判斷水位傳感器的氣密性是否合格，滿足了水位傳感器氣密性檢測的需求。